8051單片機的I2C接口并行擴展

1　引　言

I2C總線(xiàn)接口器件在視頻處理、移動(dòng)通信等領(lǐng)域的應用已經(jīng)非常普遍。另外，通用的I2C總線(xiàn)接口器件，如帶I2C總線(xiàn)的RAM，ROM，A/D，D/A，LCD驅動(dòng)器等，也越來(lái)越多地應用于計算機及自動(dòng)控制系統中。隨著(zhù)I2C接口器件越來(lái)越廣泛的應用，8051系列單片機與他之間的通信越來(lái)越頻繁。

8051系列單片機與I2C總線(xiàn)接口器件通信時(shí)，8051的通用口與I2C總線(xiàn)器件的SCL，SDA連接。根據I2C 總線(xiàn)數據傳輸協(xié)議，8051必須對其兩個(gè)通用口進(jìn)行頻繁的置位、清零。根據基于51指令系統編制的匯編程序，傳送一位數據，需要9個(gè)機器周期，而對于 8051，一個(gè)機器周期要耗費6個(gè)時(shí)鐘周期，即用54個(gè)時(shí)鐘周期才能傳送一位數據。如此則極大地占用了CPU的工作時(shí)間，降低了系統的工作效率，導致I2C器件的優(yōu)勢難以顯現。因此，有必要設計8051與I2C總線(xiàn)的專(zhuān)用接口電路。該接口電路能夠對I2C總線(xiàn)上的數據進(jìn)行自動(dòng)收發(fā)，而CPU只需要通過(guò)并口訪(fǎng)問(wèn)該接口電路中的有關(guān)寄存器就可以實(shí)現與I2C器件的數據交換，從而使整個(gè)系統的性能得到提高。本設計用VHDL硬件描述語(yǔ)言為工具，用ALTERA公司的 MAXPLUSⅡ軟件進(jìn)行編譯仿真，下載芯片為EPM7128SLC84-15。

2　設計目標和要求

為了提高數據傳送的速度，設計一個(gè)I2C接口電路。8051不直接與I2C器件交換數據，而是通過(guò)并口與該I2C接口電路交換數據，I2C總線(xiàn)上的數據傳送也通過(guò)該I2C接口電路來(lái)完成。從而通過(guò)CPU的外部存儲器讀寫(xiě)指令就可實(shí)現與I2C器件的數據交換，使對串口的操作用并口的方式來(lái)實(shí)現。

在I2C接口電路內部有一個(gè)控制寄存器CI0和一個(gè)數據寄存器CI1，即I2C接口電路占用兩個(gè)地址。通過(guò)寫(xiě)控制寄存器CI0的內容實(shí)現對I2C接口電路的編程，讀寫(xiě)數據寄存器CI1的內容實(shí)現與I2C器件的數據交換。在CI0中的內容定義了8051對I2C器件進(jìn)行操作的類(lèi)型(讀或寫(xiě))和I2C器件內地址的字節數等信息，使I2C接口電路能夠識別從8051傳來(lái)的數據是地址還是數據、8051將要發(fā)送數據還是接收數據以及數據的長(cháng)度等。

如果8051要發(fā)送數據給I2C器件，則根據I2C總線(xiàn)協(xié)議，在數據CI1接收到第一個(gè)數據后啟動(dòng)I2C總線(xiàn)，然后將CI1中的數據進(jìn)行并串轉換后逐位發(fā)出，發(fā)出完畢后設置一個(gè)標志位，使8051知道可以發(fā)送下一個(gè)總線(xiàn)后首先寫(xiě)I2C器件內地址，然后進(jìn)行數據接收，進(jìn)行串并轉換后將接收到的數據裝入CI1中，再設置標志位，使8051知道可以讀出數據。

根據上述設計要求，I2C接口芯片的引腳如圖1所示。其中clk可以使用獨立的時(shí)鐘，使I2C總線(xiàn)的位傳送速度遠高于8051的位操作，從而可使I2C總線(xiàn)的數據傳送接近并口的數據速率；a0是地址信號輸入，a0＝0時(shí)進(jìn)行CI0寫(xiě)操作，當a0＝1時(shí)進(jìn)行CI1讀/寫(xiě)操作；bz為標志輸出位，bz＝0時(shí)，8051需要等待，bz＝1時(shí)8051可以對CI1操作。

I2C接口芯片在系統中的情況如圖2所示。這里8051對I2C接口芯片操作使用了查詢(xún)方式，也可以改用中斷方式。

3　并行接口設計的實(shí)現

3．1　接口設計的內部結構

該芯片的內部結構圖如圖3所示。系統由控制寄存器CI0，數據寄存器CI1，并串轉換，串并轉換，移位寄存器以及I2C控制模塊6部分構成。